WO2019233865A1 - Ionentransportvorrichtung, ionenmobilitätsspektrometer und massenspektrometer - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ionentransportvorrichtung, die zum Transport von Ionen mittels eines elektrischen Feldes eingerichtet ist, wobei die Ionentransporteinrichtung einen Ionentransportkanal aufweist, in dem eine Ionentransportkammer gebildet ist, wobei die Ionentransporteinrichtung zur Erzeugung des elektrischen Feldes eine Vielzahl von Felderzeugungselektroden aufweist, die entlang der Längserstreckung des Ionentransportkanals hintereinander angeordnet sind, um Ionen in einer Transportrichtung durch die Ionentransportkammer zu bewegen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Ionenmobilitätsspektrometer sowie ein Massenspektrometer.

Description

lonentransportvorrichtung, lonenmobilitätsspektrometer und Massenspektrometer Die Erfindung betrifft eine lonentransportvorrichtung, die zum Transport von Ionen mittels eines elektrischen Feldes eingerichtet ist, wobei die lonentransporteinrichtung einen lonentransportkanal aufweist, in dem eine lonentransportkammer gebildet ist, wobei die lonentransporteinrichtung zur Erzeugung des elektrischen Feldes eine Vielzahl von Felderzeugungselektroden aufweist, die entlang der Längserstreckung des lonentransportkanals hintereinander angeordnet sind, um Ionen in einer Trans- portrichtung durch die lonentransportkammer zu bewegen. Die Erfindung betrifft au- ßerdem ein lonenmobilitätsspektrometer sowie ein Massenspektrometer. lonenmobilitätsspektrometer (IMS) sind Geräte zur schnellen und sensitiven Spuren- gasanalyse, die Ionen anhand ihrer Bewegung durch ein neutrales Driftgas unter dem Einfluss eines elektrischen Driftfeldes voneinander separieren. Diese Separati- on der Ionen findet in der sogenannten Driftröhre des IMS statt, in der über entspre- chende Elektroden das Driftfeld erzeugt wird. Für eine definierte Umgebung kann die Driftröhre mit einem Driftgas durchspült und gegenüber der Umgebung hermetisch verschlossen sein, um einen Eintrag von Verunreinigungen aus der Umgebung zu verhindern. Das elektrische Potential der einzelnen Driftelektroden, die zur Erzeu- gung des Driftfeldes dienen, kann beispielsweise über einen resistiven Spannungs- teiler eingestellt werden. Dementsprechend ist die Driftröhre, welche den Driftraum definiert, neben dem lonisationsraum bzw. Reaktionsraum und dem Detektor eine der Hauptkomponenten eines lonenmobilitätsspektrometers.

Beim Einlass eines Massenspektrometers (MS) liegen teilweise ähnliche Erfordernis- se vor, d.h. auch dort sollen Ionen durch ein elektrisches Feld durch eine Kammer transportiert werden. Daher wird nachfolgend verallgemeinernd von einer Ionen- transporteinrichtung gesprochen, die bei einem IMS die Driftröhre und bei einem Massenspektrometer den lonentrichter (Funnel) bilden kann.

Die Bereitstellung von lonenmobilitätsspektrometern und Massenspektrometern ist derzeit noch mit hohem produktionstechnischen Aufwand verbunden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen anzugeben, mit denen solche Geräte mit ge- ringerem Aufwand hergestellt werden können.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine lonentransporteinrichtung der eingangs genann- ten Art, mit folgenden Merkmalen:

a) der lonentransportkanal weist mehrere aus ebenen Platten gebildete Seiten- wände auf, die die lonentransportkammer umgeben,

b) die Seitenwände sind aus mit wenigstens einer ersten Leiterschicht beschichte- ten elektrischen Leiterplatten gebildet,

c) die Felderzeugungselektroden sind als unterbrochene Ringelektroden ausgebil- det, die die lonentransportkammer umfangsseitig umgeben, wobei eine, mehre- re oder alle der Ringelektroden jeweils aus einzelnen, auf den Leiterplatten durch einen Teil der ersten Leiterschicht gebildeten Leiterbahn-Segmenten zu- sammengesetzt sind, wobei Leiterbahn-Segmente einer Ringelektrode sich elektrisch kontaktieren können, aber nicht notwendigerweise elektrisch kontak- tieren müssen,

d) die lonentransporteinrichtung weist wenigstens einen ersten Spannungsteiler mit einer Vielzahl von Spannungsteiler-Anschlusspunkten und wenigstens einen zweiten Spannungsteiler mit einer Vielzahl von Spannungsteiler- Anschlusspunkten auf,

e) wobei für eine, mehrere oder alle der Ringelektroden gilt:

e1 ) wenigstens ein Leiterbahn-Segment der Ringelektrode ist an einen Span- nungsteiler-Anschlusspunkt des ersten Spannungsteilers angeschlossen, e1 ) wenigstens ein anderes Leiterbahn-Segment der Ringelektrode als das Leiterbahn-Segment, das an den Spannungsteiler-Anschlusspunkt des ersten Spannungsteilers angeschlossen ist, ist an einen Spannungsteiler- Anschlusspunkt des zweiten Spannungsteilers angeschlossen. Die Erfindung hat den Vorteil, dass die lonentransporteinrichtung mit einfachen und kostengünstig bereitstellbaren Komponenten, nämlich mit handelsüblichen Leiterplat- ten, bereitgestellt werden kann. Hierbei können insbesondere die Seitenwände des lonentransportkanals durch Leiterplatten gebildet werden, in nachfolgend noch erläu- terten Weiterbildungen können auch weitere Elemente eines IMS oder eines MS durch Leiterplatten gebildet werden, sodass sich der Gesamtaufwand der Herstellung weiter verringert. Die Leiterplatten können dabei in üblicher weise, wie es von Lei- terplatten für elektronische Schaltungen bekannt ist, hergestellt und in die gewünsch- te Form gebracht werden, z.B. durch Fräsen, Ätzen oder anderweitige Form- Bearbeitung. Die Leiterplatten können als einlagige oder mehrlagige Leiterplatten ausgebildet sein, d.h. sie können eine oder mehrere Leiterschichten aufweisen. Vor- teilhafter Weise ist zumindest eine Leiterschicht vorhanden, nämlich die zuvor er- wähnte erste Leiterschicht. Diese Leiterschicht wird genutzt, um die Ringelektroden zu bilden. Es wurde herausgefunden, dass die Ringelektroden nicht notwendiger Weise, wie es bisher üblich war, eine kreisrunde Ringform aufweisen müssen. Auch eine rechteckige, quadratische oder sonstige mehreckige Querschnittsform, wie sie aus zusammengesetzten ebenen Platten gebildet werden kann, eignet sich in glei- cher Weise. Die Ringelektroden können somit direkt durch Segmente der Leiter- schichten gebildet werden, es müssen keine sonstigen zusätzlichen Bauteile zur Bil dung der Ringelektroden montiert bzw. angelötet werden.

Erfindungsgemäß ist der lonentransportkanal somit aus einzelnen (zunächst separa- ten) elektrischen Leiterplatten aufgebaut, die die Seitenwände des lonentransportka- nals bilden. Diese einzelnen elektrischen Leiterplatten sind an Verbindungsstellen miteinander verbunden. Die Verbindungsstellen, an denen die einzelnen Leiterplatten gefügt sind, können dabei gasdicht ausgebildet sein. In einer vorteilhaften Ausgestal- tung der Erfindung sind die einzelnen elektrischen Leiterplatten, die die Seitenwände bilden (und ggf. auch die nachfolgend erläuterten weiteren Teile des lonentransport- kanals), als starre Leiterplatten ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass durch die zu- sammengefügten Leiterplatten bereits eine selbsttragende Struktur gebildet werden kann, die die lonentransportkanal bildet.

Durch die erläuterte Leiterplatten-Bauweise der lonentransporteinrichtung können kompaktbauende Driftröhren oder lonentrichter hergestellt werden, wie sie insbeson- dere für Hand-held-Geräte notwendig sind. Zudem kann auf einfache Weise eine ho- he Anzahl dünner und schmaler Ringelektroden bereitgestellt werden, um die benö- tigte Homogenität des elektrischen Driftfeldes zu erreichen. Dies ist mit handelsübli- chen Leiterplatten auf einfache Weise realisierbar. Zudem lassen sich Leiterplatten mittels Standardverfahren der Industrie fertigen und somit sehr kostengünstig her- steilen. Durch die erfindungsgemäße Leiterplatten-Bauweise können auch lonen- transporteinrichtungen für IMS bereitgestellt werden, die mit Unterdrück und hohen elektrischen Feldstärken betrieben werden.

Die lonentransporteinrichtung kann z.B. den gesamten Bereich zwischen lonenquelle und lonendetektor umfassen, d.h. sämtliche Bereiche, durch die Ionen transportiert werden können, wie lonisationsraum, lonentor, Driftraum, Detektorbereich, d.h.

Raum zwischen Aperturgitter (Abschluss der Driftröhre) und Detektor.

Der lonentransportkanal kann z.B. nur ein Teil der lonentransporteinrichtung sein, z.B. ein Segment in Längsrichtung der lonentransporteinrichtung, wie nachfolgend noch erläutert wird.

Vorteilhafter Weise weisen die verwendeten Leiterplatten, die die Seitenwände bil- den, bereits Anschlusspunkte für einen ersten und einen zweiten Spannungsteiler auf, sodass die für die Erzeugung des gleichmäßigen elektrischen Feldes erforderli- chen Bauteile zur Bildung des Spannungsteilers in einfacher Weise kontaktierbar sind. Zudem kann hierdurch die Montage der Seitenwände vereinfacht werden, da nicht zwangsläufig eine elektrische Kontaktierung zwischen sämtlichen Leiterbahn- Segmenten einer Ringelektrode erforderlich ist. Dementsprechend werden keine elektrischen Kontaktierungen zwischen den Seitenwänden benötigt.

Der erste und/oder der zweite Spannungsteiler kann z.B. als Reihenschaltung von Widerständen, als kontinuierliche Widerstandsbahn oder als Kombination daraus ausgebildet sein.

Die lonentransporteinrichtung kann grundsätzlich eine beliebige Anzahl von Seiten- wänden im Bereich von drei bis unendlich aufweisen. Fertigungstechnisch besonders günstig ist die Anordnung von vier Seitenwänden, z.B. mit quadratischem oder recht- eckigem Querschnitt des lonentransportkanals. Aber auch andere Zahlen von Sei- tenwänden, z.B. drei, fünf, sechs, sieben, acht, können in manchen Anwendungsfäl- len vorteilhaft sein.

Die auf einer Leiterplatte angeordneten Leiterbahn-Segmente können vorteilhaft in gleichmäßigen Abständen zueinander angeordnet sein. Es ist ebenfalls vorteilhaft, wenn die Leiterbahn-Segmente einer Leiterplatte jeweils gleiche Breiten haben.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine, mehrere oder alle Seitenwände wenigstens eine parallel zur ersten Leiterschicht ver- laufende zweite Leiterschicht der elektrischen Leiterplatte aufweisen. Dementspre- chend können mehrlagige Leiterplatten eingesetzt werden, wodurch die auf den ein- zelnen Leiterplatten bzw. den Seitenwänden realisierbare Funktionalität erhöht wer- den kann. Der Einsatz mehrlagiger Leiterplatten bietet zudem die Möglichkeit, zu- sätzliche Elektronik direkt in die lonentransporteinrichtung zu integrieren. Die erste Leiterschicht kann eine an der Oberfläche der Leiterplatte oder im Leiterplattenmate- rial angeordnete Leiterschicht sein. Die zweite Leiterschicht kann eine an der ande- ren Oberfläche der Leiterplatte angeordnete Leiterschicht oder eine im Leiterplatten- material angeordnete Leiterschicht sein.

Die zweite Leiterschicht oder eine zusätzlich vorgesehene Leiterschicht kann zudem eine Abschirmung der Anordnung bilden, sodass die Störfestigkeit erhöht werden kann.

Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Leiterplatte zumindest auf der Seite, an der die erste Leiterschicht angeordnet ist, ohne zusätzliche Beschichtungen wie Lötstopp- lack oder ähnliches ausgebildet ist. Hierdurch kann eine unerwünschte Beeinflus- sung der Sensitivität der lonentransporteinrichtung vermieden werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der ers- te und/oder der zweite Spannungsteiler auf der zweiten Leiterschicht angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass die den ersten und/oder zweiten Spannungsteiler bilden- den Bauteile sozusagen vor Ort angeordnet werden können, d.h. dort, wo sich auch die Ringelektroden befinden, sodass unnötig lange Zuleitungen vermieden werden können.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der ers- te Spannungsteiler mehreren Seitenwänden und/oder der zweite Spannungsteiler mehreren Seitenwänden zugeordnet ist. Auf diese Weise kann die Anzahl der erfor- derlichen Spannungsteiler minimiert werden. Der erste Spannungsteiler kann dadurch mehreren Seitenwänden einer Ringelektrode zugeordnet sein. Der zweite Spannungsteiler kann dadurch mehreren Seitenwänden einer Ringelektrode zuge- ordnet sein. Die gesamte lonentransporteinrichtung kann beispielsweise mit nur zwei Spannungsteilern realisiert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der ers- te Spannungsteiler einer ersten Seitenwand und/oder der zweite Spannungsteiler einer zweiten Seitenwand zugeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass jeder Seiten- wand einzelne, individuelle Spannungsteiler zugewiesen sind, sodass unerwünschte Querbeeinflussungen vermieden werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder aus einer Leiterplatte gebildeten Seitenwand ein eigener Spannungsteiler zugeordnet ist. Auf diese Weise wird der Verbindungsaufwand zwischen den einzelnen Segmen- ten der Ringelektrode minimiert.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die lo- nentransporteinrichtung ein Netzwerk von Koppelkondensatoren aufweist, durch das die Ringelektroden mit einer elektrischen Signalquelle verbindbar sind, wobei einer, mehrere oder alle der Koppelkondensatoren durch Teile von Leiterschichten einer oder mehrerer aus einer Leiterplatte gebildeten Seitenwänden gebildet sind. Dies hat den Vorteil, dass ein Funnel für ein MS besonders einfach und kostengünstig bereit- gestellt werden kann. Die für diese Anwendung erforderlichen Koppelkondensatoren können somit direkt durch Leiterschichten der Leiterplatten gebildet werden, so dass der Einbau diskreter Bauteile weitgehend minimiert werden kann. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die lo- nentransporteinrichtung wenigstens einen Heizdraht zum Aufheizen des lonentrans- portkanals aufweist, wobei der Heizdraht durch Teile von Leiterschichten einer oder mehrerer aus einer Leiterplatte gebildeten Seitenwänden gebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass keine gesonderten Bauteile zur Bildung einer Heizeinrichtung erforder- lich sind. Vielmehr kann der notwendige Heizdraht direkt durch Teile von Leiter- schichten auf einer oder mehreren Leiterplatten ausgebildet werden. Der Heizdraht kann z.B. durch einen mäanderförmigen Verlauf einer Leiterschicht auf einer Leiter- platte oder mehreren Leiterplatten gebildet werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Teil oder alle der Felderzeugungselektroden auf den Innenlagen der Leiterplatten reali- siert wird. Dies hat den Vorteil, dass sich die Anzahl der Felderzeugungselektroden pro Längeneinheit weiter erhöhen lässt. Insbesondere können auf diese Weise Seg- mente der Ringelektroden durch Innenlagen der Leiterplatten realisiert werden. Als Innenlagen der Leiterplatten sind dabei solche Leiterschichten anzusehen, die nicht an den Außenoberflächen liegen, sondern zwischen den äußeren Leiterschichten.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die lo- nentransporteinrichtung einen lonendetektor aufweist, der an einem Ende des lonen- transportkanals angeordnet ist, wobei der lonendetektor durch eine Leiterschicht ei- ner Leiterplatte oder durch ein geätztes Metallgitter, das durch wenigstens eine Lei- terplatte sowohl mechanisch fixiert als auch elektrisch kontaktiert ist, gebildet ist.

Dies hat den Vorteil, dass die Bereitstellung der lonentransporteinrichtung weiter vereinfacht wird, da auch für die Bereitstellung des erforderlichen lonendetektors keine zusätzlichen, komplizierten Bauteile erforderlich sind. Vielmehr kann auch der lonendetektor durch eine Leiterschicht einer Leiterplatte gebildet sein, z.B. einer Lei- terplatte, die als Abschlussplatte des lonentransportkanals daran befestigt ist. Alter- nativ kann der lonendetektor oder wahlweise auch eine, mehrere oder alle der nach- folgend genannten Elektroden als ein solches geätztes Metallgitter ausgebdildet sein. Vorteilhafterweise wird das geätzte Metallgitter durch Leiterplatten sowohl mecha- nisch fixiert als auch elektrisch kontaktiert. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die lo- nentransporteinrichtung an mindestens einem Ende des lonentransportkanals ein lonentor aufweist, wobei zumindest eine Elektrode des lonentors durch eine Leiter- schicht einer Leiterplatte oder durch ein geätztes Metallgitter, das durch wenigstens eine Leiterplatte sowohl mechanisch fixiert als auch elektrisch kontaktiert ist, gebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass die Bereitstellung der lonentransporteinrichtung weiter vereinfacht wird, da auch für die Bereitstellung des erforderlichen lonentors keine zusätzlichen, komplizierten Bauteile erforderlich sind. Vielmehr kann auch das lonen- tor oder zumindest ein Teil davon durch eine Leiterschicht einer Leiterplatte gebildet sein, z.B. einer Leiterplatte, die als Abschlussplatte des lonentransportkanals daran befestigt ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigs- tens eine der Leiterplatten wenigstens eine nutartige Aussparung aufweist, in die wenigstens eine andere Leiterplatte formschlüssig eingesetzt ist. Dies hat den Vor- teil, dass die lonentransporteinrichtung aus den einzelnen Leiterplatten besonders einfach zusammensetzbar ist, da durch die nutartige Aussparung formschlüssige Verbindungsmittel bereitgestellt werden, die das Zusammensetzen der Bauteile und die Befestigung aneinander vereinfachen.

Die einzelnen Leiterplatten, aus denen die lonentransporteinrichtung zusammenge- setzt ist, können z.B. mit Klebstoff oder Lot kraftschlüssig, formschlüssig oder reib schlüssig miteinander verbunden werden. Beim mechanischen Verbinden durch Lot können z.B. Teile von Leiterschichten genutzt werden, um Befestigungspunkte zu bilden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die durch Leiterbahnen-Segmente gebildeten Ringelektroden als mehreckige Ringelekt- roden ausgebildet sind, deren Anzahl der Ecken der Anzahl der Seitenwände ent- spricht. Übliche Ringelektroden von IMS oder MS sind als geschlossene kreisring- förmige elektrisch leitende Strukturen ausgebildet. Derartige Elektrodenstrukturen sind mit Leiterplatten jedoch schwer herzustellen. Der hier vorgeschlagene Aufbau teilt jede Ringelektrode in mehrere Segmente ein, die sich plan auf den Leiterplatten befinden, da sie gleichzeitig auch die Wandungen des lonentransportkanals bilden. Hierdurch können die Segmente aller Ringelektroden auf jeweils einer Leiterplatte platziert werden, was den Aufwand bei der Herstellung massiv verringert. Je nach Anordnung und Anzahl der Leiterplatten entstehen verschiedene Formen von Ring- elektroden, wie dreieckige, viereckige, insbesondere rechteckige oder quadratische, oder mehreckige Ringelektroden. Es hat sich gezeigt, dass durch eine solche Form- gebung der Ringelektroden die Performance eines IMS oder MS nicht verschlechtert wird.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verhältnis von Breite zu Höhe (= Dicke der Leiterschicht) eines Leiterbahn-Segments einer Ringelektrode größer 1 ist, insbesondere größer 5 ist. Hierdurch kann eine ho- he Effizienz der Ringelektroden bei der Ausbildung eines homogenen elektrischen Feldes realisiert werden. Zudem werden durch die Leiterbahn-Segmente nur wenig störende Kapazitäten erzeugt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verhältnis von Breite zu lateralem Abstand von benachbarten Leiterbahn-Segmenten benachbarter Ringelektroden größer 0,5 ist, insbesondere größer 1 oder größer 3 ist. Hierdurch kann eine hohe Effizienz der Ringelektroden bei der Ausbildung eines ho- mogenen elektrischen Feldes realisiert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die lo- nentransporteinrichtung in Transportrichtung in Segmente segmentiert ist. Durch die Segmente, die auch als Längssegmente bezeichnet werden können, kann beispiels weise ein modularer Aufbau der lonentransporteinrichtung in Längsrichtung realisiert werden. Ein Segment der lonentransporteinrichtung kann z.B. die Driftröhre sein, ein weiteres Segment kann der Reaktionsraum sein. Eines, mehrere oder alle Segmente können jeweils durch den erfindungsgemäß in Leiterplatten-Bauweise aufgebauten lonentransportkanal gebildet sein, insbesondere die Driftröhre.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eines, mehrere oder alle Segmente der lonentransporteinrichtung jeweils von wenigstens einer senkrecht zur Transportrichtung angeordneten Abschlussplatte abgeschlossen ist, die als Leiterplatte ausgebildet ist. Durch solche Abschlussplatten kann einerseits ein gasdichter endseitiger Abschluss des Segments realisiert werden. Zudem können durch solche Abschlussplatten noch andere Funktionalitäten realisiert werden, wie z.B. ein lonentor und/oder einen lonendetektor.

Die Abschlussplatten können somit das Interface zwischen Driftraum und einem der oben genannten Segmente bilden, d.h. auf eine Abschlussplatte kann ein lonentor, lonisationsraum bzw. Reaktionsraum, Detektor oder ein weiterer Driftraum folgen. Gleiches gilt für die anderen Segmente. So können die Abschlussplatten z.B. einen Wechsel zwischen horizontaler und vertikaler Ausrichtung der Leiterplatten darstel- len.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine, mehrere oder alle Abschlussplatten in Umfangsrichtung über wenigstens eine der Seitenwände hinausragen. Hierdurch wird die Befestigung der Seitenwände an den Abschlussplatten vereinfacht. Beispielsweise kann in einer Abschlussplatte eine ring- förmige Nut angeordnet sein, die der Querschnittform der Anordnung aus den Sei- tenwänden des lonentransportkanals entspricht. Der lonentransportkanal kann dann in diese Nut eingesteckt und darin befestigt werden. Dies erlaubt eine einfache form- schlüssige Befestigung des lonentransportkanals an einer Abschlussplatte, wobei eine hohe Stabilität und gute Dichtigkeit realisiert werden kann.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwi- schen benachbarten Segmenten der lonentransporteinrichtung wenigstens eine Elektrode angeordnet ist, die durch eine Leiterschicht einer Leiterplatte oder durch ein geätztes Metallgitter, das durch wenigstens eine Leiterplatte sowohl mechanisch fixiert als auch elektrisch kontaktiert ist, gebildet ist. Eine solche Elektrode kann z.B. die Elektrode eines lonentors sein. So kann beispielsweise ein lonentor mit zwei Git- terelektroden gebildet werden, indem beispielsweise eine beidseitig mit Leiterschich- ten beschichtete Leiterplatte eingesetzt wird, wobei die Leiterschichten die Gitter- elektroden bilden kann. Es können auch zwei geätzte Metallgitter eingesetzt werden, die durch eine Leiterplatte sowohl mechanisch fixiert als auch elektrisch kontaktiert werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sei- tenwände auf die lonentransportkammer gasdicht umgeben. Auf diese Weise kann bereits durch die Seitenwände die erforderliche hermetische Dichtung eines IMS rea- lisiert werden. Alternativ ist es möglich, die Seitenwände nicht hermetisch abzudich- ten und stattdessen die lonentransporteinrichtung oder das damit ausgerüstete IMS oder den lonentrichter in einer gasdichten Umhausung anzuordnen.

Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein lonenmobilitäts- spektrometer mit einer lonentransporteinrichtung der zuvor erläuterten Art. Der lo- nentransportkanal kann dabei die Driftröhre des lonenmobilitätsspektrometers bilden. Der lonentransportkanal kann auch den Reaktionsraum oder eines der oben genann- ten Segmente des lonenmobilitätsspektrometers bilden. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden.

Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Massenspektrome- ter mit einer lonentransporteinrichtung der zuvor erläuterten Art. Der lonentransport- kanal kann dabei den lonentrichter des Massenspektrometers bilden. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwen- dung von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

Figur 1 ein lonenmobilitätsspektrometer und

Figur 2 eine lonentransporteinrichtung in perspektivischer Darstellung und Figur 3 zwei Seitenwände der lonentransporteinrichtung gemäß Figur 2 in

Draufsicht und

Figur 4 eine lonentransporteinrichtung in Transportrichtung betrachtet und Figur 5 eine Abschlussplatte in perspektivischer Darstellung und

Figur 6 die Verbindung zwischen zwei Seitenwänden in vergrößerter Aus- schnittsdarstellung. Die Figur 1 zeigt ein IMS 90 in stark vereinfachter schematisierter Darstellung. Das IMS 90 weist einen lonentransportkanal 1 auf, der bei einem IMS auch als Driftröhre bezeichnet wird. Innerhalb des lonentransportkanals 1 befindet sich eine lonentrans- portkammer 93, durch die Ionen in einer Transportrichtung T von einer lonenbereit- stellungskammer 5 zu einem lonendetektor 8 bewegt werden können. Um die lonen- bewegung zu erzeugen, weist der lonentransportkanal 1 Felderzeugungselektroden 2 in Form von Ringelektroden auf, die in Transportrichtung T hintereinander ange- ordnet sind. Die Felderzeugungselektroden 2 sind über einen Spannungsteiler 3 mit einer elektrischen Energiequelle 4 verbunden. Der Spannungsteiler 3 kann z.B. aus einer Reihenschaltung von Widerständen 30 gebildet sein. Durch diese Anordnung wird ein homogenes elektrisches Feld in Transportrichtung T in der lonentransport- kammer 93 erzeugt.

Die Ionen können in der lonenbereitstellungskammer 5 beispielsweise durch eine lonenquelle 6, z.B. eine radioaktive Quelle, bereitgestellt werden. In der lonenbereit- stellungskammer 5 sind sämtliche erzeugten Ionen zunächst noch beliebig miteinan- der vermischt. Wird ein Messzyklus des IMS 90 gestartet, so werden durch entspre- chendes Schalten eines lonentors 92 Ionen von der lonenbereitstellungskammer 5 in die lonentransportkammer 93 eingeleitet. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Mobilitä- ten trennen sich dann die unterschiedlichen lonenspezies auf ihrem Weg durch die lonentransportkammer 93 voneinander, sodass unterschiedliche lonenspezies zu verschiedenen Zeitpunkten am lonendetektor 8 auftreffen. Der lonendetektor 8, der z.B. an einer Abschlussplatte 7 angeordnet sein kann, gibt abhängig vom Auftreffen der Ionen elektrische Signale an einen Verstärker 9 ab. Die verstärkten Signale sind in einem Diagramm 91 als lonenmobilitätsspektrum dargestellt. An der Abzissenach- se ist die Zeit dargestellt.

Die weiteren Erläuterungen befassen sich nun mit der Frage, wie ein lonentransport- kanal 1 bzw. eine damit gebildete lonentransporteinrichtung besonders günstig her- gestellt werden kann.

Die Figur 2 zeigt einen aus Leiterplatten 21 aufgebauten lonentransportkanal 1. In diesem Fall bilden vier Leiterplatten 21 die Seitenwände des lonentransportkanals 1. Die Leiterplatten sind an der Innenseite des lonentransportkanals 1 mit einer ersten Leiterschicht beschichtet. Aus der ersten Leiterschicht sind auf jeder Leiterplatte 21 Leiterbahn-Segmente 20 gebildet, die in lonentransportrichtung T hintereinander an- geordnet sind. Die einzelnen Leiterbahn-Segmente 20 sind mit Spannungsteiler- Anschlusspunkten der jeweiligen Leiterplatte 21 verbunden, z.B. indem Durchkontak- tierungen zur gegenüberliegenden Leiterplattenseite vorhanden sind. Auf der gegen- überliegenden Leiterplattenseite, d.h. an der Außenseite des lonentransportkanals 1 , sind Widerstände 30 angeordnet, die einen ersten Spannungsteiler 31 und einen zweiten Spannungsteiler 32 bilden.

Wie man in der Figur 2 erkennt, sind die einzelnen Leiterbahn-Segmente 20, die eine Ringelektrode bilden sollen, nicht in Berührung miteinander und dementsprechend auch nicht galvanisch miteinander verbunden. In diesem Fall wäre es erforderlich, auf der Außenseite jeder Leiterplatte 21 einen entsprechenden Spannungsteiler an- zuordnen. Nachfolgend wird noch erläutert, dass in bestimmten Ausführungsformen auch weniger Spannungsteiler eingesetzt werden können, z.B. nur der erste und der zweite Spannungsteiler 31 , 32, wie in Figur 2 dargestellt.

Die Figur 3 zeigt zwei Seitenwände 21 in Draufsicht auf die Innenseite, d.h. die Seite der Leiterplatten 21 , an denen die Leiterbahn-Segmente 20 angeordnet sind. Wie erkennbar ist, sind die Leiterbahn-Segmente 20 als schmale Leiterstreifen ausgebil- det, die in gleichmäßigen Abständen parallel nebeneinander und in Transportrichtung T gesehen hintereinander angeordnet sind. Ein Leiterbahn-Segment 20 weist dabei eine Breite B auf. Der laterale Abstand zwischen benachbarten Leiterbahn- Segmenten benachbarter Ringelektroden hat das Maß D. Es ist hierbei vorteilhaft, wenn B/D größer 0,5 ist, oder größer 1 ist, oder größer 3 ist.

Die Figur 4 zeigt eine lonentransporteinrichtung, die einen lonentransportkanal 1 gemäß der Ausführungsform der Figur 2 aufweist. Zusätzlich ist an einem Ende des lonentransportkanals 1 eine Abschlussplatte 7 vorhanden, die ebenfalls als Leiter- platte ausgebildet sein kann. Eine Leiterschicht 80 dieser Leiterplatte 70 kann dann den lonendetektor 8 bilden.

Die Figur 4 zeigt zudem, dass über elektrische Brücken 22 jeweils eine galvanische Verbindung zwischen zwei über Eck angeordneten Leiterbahn-Segmenten 20 der- selben Ringelektrode hergestellt sein kann. Weiterhin ist auch eine elektrische Kon- taktierung zwischen zwei Leiterbahn-Segmenten außerhalb des lonentransportka- nals möglich. Auf diese Weise kann beispielsweise der erste Spannungsteiler 31 der oberen und der linken Leiterplatte 21 zugeordnet sein, der zweite Spannungsteiler 32 kann der rechten und der unteren Leiterplatte 21 zugeordnet sein. Die galvanischen Verbindungen können z.B. als Lötungen 22 ausgebildet sein.

Die Figur 5 zeigt noch einmal die Leiterplatte 70 mit der Leiterschicht 80 in Einzelteil darstellung. Die Leiterschicht 80 kann den lonendetektor 8 bilden. Die Leiterplatte 70 bildet die Abschlussplatte 7.

Die Figur 6 zeigt eine vorteilhafte mechanische Verbindung zwischen zwei im Winkel zueinander angeordneten Leiterplatten 21 , die jeweils Seitenwände des lonentrans- portkanals 1 bilden. So kann in einer Leiterplatte 21 eine Nut 23 eingebracht sein. In diese Nut 23 ist eine Endkante einer anderen Leiterplatte 21 eingesetzt. Diese Ver- bindungsstelle kann beispielsweise durch Klebstoff zusätzlich fixiert sein. Auf diese Weise können sämtliche Seitenwände des lonentransportkanals 1 miteinander ver- bunden sein. Die Figur 6 zeigt zudem das Maß H, das die Höhe der Leiterschicht, die ein Leiter- bahn-Segment 20 bildet, definiert (Dicke der Leiterschicht). Es ist vorteilhaft, wenn B/H größer 1 ist, insbesondere größer 5 ist.

Claims

Patentansprüche

1. lonentransporteinrichtung, die zum Transport von Ionen mittels eines elektri- schen Feldes eingerichtet ist, wobei die lonentransporteinrichtung einen lonen- transportkanal (1 ) aufweist, in dem eine lonentransportkammer (93) gebildet ist, wobei der lonentransportkanal (1 ) zur Erzeugung des elektrischen Feldes eine Vielzahl von Felderzeugungselektroden (2) aufweist, die entlang der Längser- streckung des lonentransportkanals (1 ) hintereinander angeordnet sind, um lo- nen in einer Transportrichtung (T) durch die lonentransportkammer (93) zu be- wegen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der lonentransportkanal (1 ) weist mehrere aus ebenen Platten gebildete Seitenwände auf, die die lonentransportkammer (93) umgeben, b) die Seitenwände sind aus mit wenigstens einer ersten Leiterschicht be- schichteten elektrischen Leiterplatten (21 ) gebildet,

c) die Felderzeugungselektroden (2) sind als unterbrochene Ringelektroden ausgebildet, die die lonentransportkammer (93) umfangsseitig umgeben, wobei eine, mehrere oder alle der Ringelektroden jeweils aus einzelnen, auf den Leiterplatten (21 ) durch einen Teil der ersten Leiterschicht gebil deten Leiterbahn-Segmenten (20) zusammengesetzt sind, wobei Leiter- bahn-Segmente (20) einer Ringelektrode sich elektrisch kontaktieren kön- nen, aber nicht notwendigerweise elektrisch kontaktieren müssen, d) die lonentransporteinrichtung weist wenigstens einen ersten Spannungs- teiler (31 ) mit einer Vielzahl von Spannungsteiler-Anschlusspunkten (35) und wenigstens einen zweiten Spannungsteiler (32) mit einer Vielzahl von Spannungsteiler-Anschlusspunkten (35) auf,

e) wobei für eine, mehrere oder alle der Ringelektroden gilt: e1 ) wenigstens ein Leiterbahn-Segment (20) der Ringelektrode ist an ei- nen Spannungsteiler-Anschlusspunkt (35) des ersten Spannungstei- lers (31 ) angeschlossen,

e1 ) wenigstens ein anderes Leiterbahn-Segment (20) der Ringelektrode als das Leiterbahn-Segment (20), das an den Spannungsteiler- Anschlusspunkt (35) des ersten Spannungsteilers (31 ) angeschlos- sen ist, ist an einen Spannungsteiler-Anschlusspunkt (35) des zwei- ten Spannungsteilers (32) angeschlossen.

2. lonentransporteinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ei- ne, mehrere oder alle Seitenwände wenigstens eine parallel zur ersten Leiter- schicht verlaufende zweite Leiterschicht der elektrischen Leiterplatte (20) auf- weisen.

3. lonentransporteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Spannungsteiler (31 , 32) auf der zweiten Leiter- schicht angeordnet ist.

4. lonentransporteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spannungsteiler (31 ) mehreren Seitenwänden und/oder der zweite Spannungsteiler (32) mehreren Seitenwänden zugeordnet ist.

5. lonentransporteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spannungsteiler (31 ) einer ersten Seitenwand und/oder der zweite Spannungsteiler (32) einer zweiten Seitenwand zugeordnet ist.

6. lonentransporteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder aus einer Leiterplatte (20) gebildeten Seitenwand ein eigener Spannungsteiler (31 , 32) zugeordnet ist.

7. lonentransporteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lonentransporteinrichtung ein Netzwerk von Koppel- kondensatoren aufweist, durch das die Ringelektroden mit einer elektrischen Signalquelle verbindbar sind, wobei einer, mehrere oder alle der Koppelkon- densatoren durch Teile von Leiterschichten einer oder mehrerer aus einer Lei terplatte (20) gebildeten Seitenwänden gebildet sind.

8. lonentransporteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lonentransporteinrichtung wenigstens einen Heiz- draht zum Aufheizen des lonentransportkanals (1 ) aufweist, wobei der Heiz- draht durch Teile von Leiterschichten einer oder mehrerer aus einer Leiterplatte (20) gebildeten Seitenwänden gebildet ist.

9. lonentransporteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil oder alle der Felderzeugungselektroden auf den Innenlagen der Leiterplatten realisiert wird.

10. lonentransporteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lonentransporteinrichtung einen lonendetektor (8) aufweist, der an einem Ende des lonentransportkanals (93) angeordnet ist, wo- bei der lonendetektor (8) durch eine Leiterschicht (80) einer Leiterplatte (70) oder durch ein geätztes Metallgitter, das durch wenigstens eine Leiterplatte so- wohl mechanisch fixiert als auch elektrisch kontaktiert ist, gebildet ist.

11. lonentransporteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lonentransporteinrichtung an mindestens einem Ende des lonentransportkanals (1 ) oder der lonentransportkammer (93) ein lonentor (92) aufweist, wobei zumindest eine Elektrode des lonentors (92) durch eine Leiterschicht einer Leiterplatte oder durch ein geätztes Metallgitter, das durch wenigstens eine Leiterplatte sowohl mechanisch fixiert als auch elektrisch kon- taktiert ist, gebildet ist.

12. lonentransporteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Leiterplatten wenigstens eine nutar- tige Aussparung (23) aufweist, in die wenigstens eine andere Leiterplatte form- schlüssig eingesetzt ist.

13. lonentransporteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Leiterbahnen-Segmente (20) gebildeten Rin- gelektroden als mehreckige Ringelektroden ausgebildet sind, deren Anzahl der Ecken der Anzahl der Seitenwände entspricht.

14. lonentransporteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Breite (B) zu Höhe (H) eines Leiter- bahn-Segments (20) einer Ringelektrode größer 1 ist, insbesondere größer 5 ist.

15. lonentransporteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Breite (B) zu lateralem Abstand (D) von benachbarten Leiterbahn-Segmenten (20) benachbarter Ringelektroden größer 0,5 ist, insbesondere größer 1 oder größer 3 ist.

16. lonentransporteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lonentransporteinrichtung in Transportrichtung (T) in Segmente segmentiert ist.

17. lonentransporteinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eines, mehrere oder alle Segmente der lonentransporteinrichtung jeweils von wenigstens einer senkrecht zur Transportrichtung (T) angeordneten Abschluss- platte (70) abgeschlossen ist, die als Leiterplatte ausgebildet ist.

18. lonentransporteinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine, mehrere oder alle Abschlussplatten (70) in Umfangsrichtung über wenigs- tens eine der Seitenwände hinausragen.

19. lonentransporteinrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch ge- kennzeichnet, dass zwischen benachbarten Segmenten der lonentransportein- richtung wenigstens eine Elektrode angeordnet ist, die durch eine Leiterschicht einer Leiterplatte oder durch ein geätztes Metallgitter, das durch wenigstens ei- ne Leiterplatte sowohl mechanisch fixiert als auch elektrisch kontaktiert ist, ge- bildet ist.

20. lonentransporteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände auf die lonentransportkammer (93) gasdicht umgeben.

21. lonenmobilitätsspektrometer, gekennzeichnet durch eine lonentransporteinrich- tung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

22. lonentrichter, gekennzeichnet durch eine lonentransporteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.